Dichtungssystem mit Druckentlastungselementen und Verwendung eines Dichtungssystems zur Einstellung einer Zwischenraumdruckkaskade

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Dichtungssystem (10) zwischen zwei entlang einer Bewegungsachse gegeneinander translatorisch beweglichen Bauteilen (12, 14) zum Abdichten einer Hochdruckseite (H) gegenüber einer Niederdruckseite (N) mit Druckentlastungselementen sowie die Verwendung eines solchen Dichtungssystems zur Einstellung einer Zwischenraumdruckkaskade.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Dichtungssystem zwischen zwei entlang einer Bewegungsachse gegeneinander translatorisch beweglichen Bauteilen zum Abdichten einer Hochdruckseite gegenüber einer Niederdruckseite, wobei ein äußeres Bauteil eine zu einem inneren Bauteil offene, der Niederdruckseite (N) zugewandte erste Ringnut und zumindest eine zum inneren Bauteil offene, der Hochdruckseite zugewandte zweite Ringnut aufweist. In der ersten Ringnut ist eine Dichtungsanordnung vorgesehen, die einen am inneren Bauteil anliegenden ersten Dichtring aus einem elastisch verformbaren Material und einen den ersten Dichtring radial spannenden, gegenüber der ersten Ringnut abdichtenden ersten Vorspannring aus einem elastisch verformbaren Material aufweist. In jeder zweiten Ringnut ist ein Druckentlastungselement vorgesehen, das einen am inneren Bauteil anliegenden zweiten Dichtring aus einem elastisch verformbaren Material und einen den zweiten Dichtring radial spannenden, gegenüber der zweiten Ringnut abdichtenden zweiten Vorspannring aus einem elastisch verformbaren Material aufweist.

[0002] Der zweite Dichtring weist eine Dichtkante mit einem hochdruckseitigen Kontaktflächenwinkel und einem niederdruckseitigen Kontaktflächenwinkel auf, wobei jedem Druckentlastungselement mindestens ein Verbindungskanal zugeordnet ist, über den ein Zwischenraum zwischen der Dichtungsanordnung und dem ersten Druckentlastungselement mit der Hochdruckseite oder ein Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Druckentlastungselementen mit der Hochdruckseite verbindbar ist oder zwei benachbarte Zwischenräume über den Verbindungskanal miteinander verbindbar sind.

[0003] Jeder Verbindungskanal ist in einer Drucklage P_ZN > P_H bzw. P_ZN > P_ZH geschlossen und in einer Druckentlastungslage P_ZN ≥ P_H+P_krit bzw. P_ZN ≥ P_ZH+P_krit geöffnet, wobei P_H der hydraulische Druck auf der Hochdruckseite, P_ZN der hydraulische Druck im niederdruckseitigen Zwischenraum, P_ZH der hydraulische Druck im hochdruckseitigen Zwischenraum und P_krit eine Druckzuwachsgröße ist, bei der oder bei deren Überschreitung der Verbindungskanal geöffnet ist und wobei P_Krit durch eine Verformung des zweiten Vorspannrings definiert ist. Der Verbindungskanal ist in der Drucklage P_ZN > P_H bzw. P_ZN > P_ZH durch den zweiten Vorspannring verschlossen und der hochdruckseitige Kontaktflächenwinkel der Dichtkante des zweiten Dichtrings ist kleiner oder gleich dem niederdruckseitigen Kontaktflächenwinkel der Dichtkante, so dass im druckbeaufschlagten Zustand und bei einer Hin- und Herbewegung des inneren Bauteils im äußeren Bauteil für den Dichtring eine bestimmte Leckagerate eingestellt ist, über die der hydraulische Druck im niederdruckseitigen Zwischenraum eingestellt wird.

[0004] Ein derartiges Dichtungssystem ist aus der EP 1 991 800 B1 bekannt. Das bekannte Dichtungssystem ist jedoch mit einem hohen Montageaufwand verbunden und in der Herstellung teuer.

[0005] Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, ein Dichtungssystem mit den vorgenannten technischen Vorteilen anzugeben, das insgesamt einfacher und kostengünstiger herzustellen ist.

[0006] Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Dichtungssystem mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

[0007] Bei dem erfindungsgemäßen Dichtungssystem sind der zweite Dichtring und der zweite Vorspannring zumindest eines Druckentlastungselements einstückig miteinander ausgebildet und bestehen aus Polyurethan, wobei P_Krit durch eine zumindest abschnittsweise Verformung des zweiten Vorspannrings in einer zur Bewegungsachse radialen Richtung definiert ist. Der zweite Dichtring und das zweite Vorspannelement können dadurch gemeinsam als ein einzelnes Bauteil aus einem kostengünstigen Werkstoff sowie mit insgesamt geringeren Fertigungstoleranzen erzeugt werden. Darüber hinaus wird dadurch die Montage des Dichtungssystems vereinfacht. Das erfindungsgemäße Dichtungssystem kann dadurch insgesamt einfacher und kostengünstiger hergestellt werden.

[0008] Nach der Erfindung können der Fertigungs- und Montageaufwand des Dichtungssystems im Falle mehrerer Druckentlastungselemente dadurch nochmals weiter verringert werden, dass der zweite Dichtring und der zweite Vorspannring eines jeden Druckentlastungselements einstückig miteinander ausgebildet sind und aus Polyurethan bestehen.

[0009] Bei dem erfindungsgemäßen Dichtungssystem liegt der Druck auf der Hochdruckseite nicht unmittelbar an der Primärdichtung an. Dieser Vorteil wirkt sich besonders bei der Anordnung mehrerer hintereinandergeschalteter Druckentlastungselemente aus. Beim Aufbau eines Dichtungssystems mit einer Dichtungsanordnung und einem oder mehreren Druckentlastungselementen sind ein oder mehrere Zwischenräume zwischen dem oder den Druckentlastungselementen und der Dichtungsanordnung vorgesehen. Im hydraulischen Betrieb können in den einzelnen, durch Druckentlastungselemente voneinander getrennten, Zwischenräumen unterschiedliche hydraulische Drücke entstehen. Die Druckdifferenz zwischen benachbarten Zwischenräumen bestimmt den Druck, mit dem das entsprechende Druckentlastungselement belastet wird. Jedem Druckentlastungselement ist mindestens ein Verbindungskanal zur Druckentlastung des auf der Niederdruckseite angrenzenden niederdruckseitigen Zwischenraums zugeordnet. Jeder Verbindungskanal verbindet den niederdruckseitigen Zwischenraum, in dem der hydraulische Druck P_ZN anliegt, mit dem der Hochdruckseite zugewandten, hochdruckseitigen Zwischenraum, in dem der hydraulische Druck P_ZH anliegt, bzw. mit der den Hochdruck P_H aufweisenden Hochdruckseite. Der Verbindungskanal ist in einer Grunddrucklage P_ZN ≤ P_ZH bzw. P_ZN ≤ P_H des Dichtungssystems, in der der Druck P_ZN im niederdruckseitigen Zwischenraum kleiner oder gleich dem Druck P_ZH im hochdruckseitigen Zwischenraum bzw. dem Druck P_H auf der Hochdruckseite ist, geschlossen. In der Grunddrucklage dichtet der Dichtring den hochdruckseitigen Zwischenraum bzw. die Hochdruckseite gegenüber dem niederdruckseitigen Zwischenraum ab. Der erfindungsgemäße Verbindungskanal bleibt auch in einer invertierten Drucklage P_ZN > P_ZH bzw. P_ZN > P_H geschlossen, in der der niederdruckseitige Zwischenraumdruck den hochdruckseitigen Druck übersteigt und in der der Dichtring den niederdruckseitigen Zwischenraum gegenüber dem hochdruckseitigen Zwischenraum bzw. gegenüber der Hochdruckseite abdichtet. Der Verbindungskanal wird erst beim Erreichen einer Druckentlastungslage P_ZN ≥ P_ZH+P_krit bzw. P_ZN ≥ P_H+P_krit geöffnet, in der eine Druckzuwachsgröße P_krit erreicht oder überschritten wird. Die Druckzuwachsgröße P_krit stellt einen kritischen Öffnungsdruck für den Verbindungskanal dar und ist durch eine Verformung des zweiten Vorspannrings definiert.

[0010] Die Druckentlastung durch die einseitig wirkenden Verbindungskanäle ist besonders vorteilhaft bei der Aneinanderreihung mehrerer Druckentlastungselemente. Im hydraulischen Betrieb kann der hydraulische Druck in den Zwischenräumen unterschiedlich stark ansteigen. Die Druckentlastung eines Zwischenraums hängt ausschließlich von dem Druck eines weiteren, nämlich des hochdruckseitig nächsten, Zwischenraums ab. Sobald die Druckdifferenz P_ZN - P_ZH zwischen beiden an das Druckentlastungselement angrenzenden Zwischenräumen bzw. P_ZN - P_H zwischen dem Zwischenraum und der Hochdruckseite die jeweilige Druckzuwachsgröße P_krit erreicht, P_ZN - P_ZH = P_krit bzw. P_ZN - P_H = P_krit, wird der entsprechende Verbindungskanal geöffnet, so dass ein Druckausgleich zwischen den miteinander verbundenen Druckbereichen bzw. Zwischenräumen stattfindet. Auf diese Weise wird erreicht, dass in dem erfindungsgemäßen Dichtungssystem ein Zwischenraum bei sämtlichen Drücken P_ZN - P_ZH ≥ P_krit, insbesondere bei Zwischenraumdrücken P_ZN, P_ZH < P_H unterhalb des auf der Hochdruckseite anstehenden hydraulischen Betriebsdruckes, druckentlastet wird. Der hochdruckseitige Kontaktflächenwinkel der Dichtkante des zweiten Dichtrings ist jeweils kleiner oder gleich dem niederdruckseitigen Kontaktflächenwinkel der Dichtkante, so dass im druckbeaufschlagten Zustand und bei einer Hin- und Herbewegung des inneren Bauteils im äußeren Bauteil für den Dichtring eine bestimmte Leckagerate eingestellt ist, über die der hydraulische Druck im niederdruckseitigen Zwischenraum eingestellt wird.

[0011] Für den Dichtmechanismus sind die Vorspannung und der Kontaktpressungsverlauf der dynamischen Abdichtung von grundsätzlicher Bedeutung. Die Vorspannung wird beim Einbau des inneren Bauteils in das äußere Bauteil erzeugt. Der Kontaktpressungsverlauf entspricht der von einer druckflüssigkeitsbelasteten Oberfläche des Dichtrings auf die Dichtfläche übertragenen Spannung. Die Bilanz von ausgeschlepptem Ölfilm zu eingeschlepptem Schmierfilm bildet die Leckagerate. Die hydrodynamische Leckagerate wird durch den Pressungsgradienten im Kontaktbereich hin zur Hochdruckseite festgelegt. Der Pressungsgradient hängt von den Kontaktflächenwinkeln zwischen der Dichtkante und dem abzudichtenden inneren Bauteil ab. Ein hochdruckseitig steiler Kontaktflächenwinkel bewirkt einen steilen Pressungsgradient und eine geringe Leckagerate, wohingegen ein hochdruckseitiger flacher Kontaktflächenwinkel zu einem flachen Pressungsgradienten und einer größeren Leckagerate führt.

[0012] Solange die Rückförderfähigkeit eines Dichtungssystems größer oder gleich der ausgeförderten Ölmenge ist, spricht man von dichten Systemen. Deshalb weist der erste Dichtring der in der ersten Ringnut angeordneten Dichtungsanordnung, die als Primärdichtung im erfindungsgemäßen Dichtungssystem dient, einen steilen Pressungsgradienten auf. An den Druckentlastungselementen werden demgegenüber Leckraten in kontrollierter Weise zugelassen, indem die Dichtkanten der entsprechenden Dichtringe symmetrische Kontaktflächenwinkel oder asymmetrische Kontaktflächenwinkel mit hochdruckseitig kleinerem Kontaktflächenwinkel als niederdruckseitig aufweisen und infolgedessen flache Pressungsgradienten besitzen.

[0013] Die hochdruckseitigen und niederdruckseitigen Kontaktflächenwinkel sind derart gewählt, dass im druckbeaufschlagten Zustand und bei einer Hin- und Herbewegung des inneren Bauteils im äußeren Bauteil eine für jeden Dichtring jeweils bestimmte Leckagerate eingestellt wird, über die der hydraulische Druck in dem an das jeweilige Druckentlastungselement niederdruckseitig angrenzenden Zwischenraum eingestellt wird. Über die Kontaktflächenwinkel ist die hydrodynamische Leckage für jedes Druckentlastungselement derart gewählt, dass in jedem Zwischenraum ein bestimmter hydraulischer Druck anliegt. Auf diese Weise werden im erfindungsgemäßen Dichtungssystem definierte Zwischenraumdrücke eingestellt, die in bevorzugter Ausführung kaskadenartig von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite hin abnehmen. An jedem Druckentlastungselement und an der Dichtungsanordnung ist eine Druckstufe definiert, deren Höhe der an dem entsprechenden Element anliegenden Druckdifferenz entspricht. Das erfindungsgemäße Dichtungssystem besitzt neben dem hydrodynamischen Rückfördervermögen der Dichtringe eine hydrostatische Entspannungs-möglichkeit über die in den Druckentlastungselementen vorgesehenen Verbindungskanäle. Die Ventilfunktion der Verbindungskanäle führt zu einer Druckentlastung eines Zwischenraums bei einem Anstieg des Zwischenraumdrucks über den Zwischenraumdruck des hochdruckseitig nächsten Zwischenraums plus die entsprechende Druckzuwachsgröße.

[0014] Bei optimaler Auslegung der einzelnen Elemente des erfindungsgemäßen Dichtungssystems kann der System- oder Arbeitsdruck in einem Hydrauliksystem ohne Einschränkungen auf die Funktionalität oder Lebensdauer des Dichtungssystems erhöht werden. Durch einen definierten Druck hinter einem Druckentlastungselement kann sogar die Schmierfilmbildung im Dichtspalt der Druckdichtung verbessert werden, was wiederum die Reibung und die Lebensdauer des Gesamtsystems positiv beeinflusst. Erreicht wird dieser optimierte Zustand durch eine Einstellbarkeit des Öffnungsdruckes der Druckventilation im Druckentlastungselement, das heißt, der entsprechenden Druckzuwachsgröße. Die niederdruckseitige Mündungsöffnung bzw. das niederdruckseitige Ende des Verbindungskanals wird am Innen- oder Außendurchmesser des zweiten Dichtrings oder des zweiten Vorspannrings oder in der zweiten Ringnut axial unterschiedlich angebracht, so dass durch die druckabhängige Verschiebung der Druckentlastungselemente untereinander ein mehr oder weniger hoher Öffnungsdruck eingestellt wird.

[0015] Durch das Zusammenspiel von hydrodynamischem Fördervermögen und hydrostatischer Entlastung kann auch unter ungünstigen Betriebsverhältnissen mit einem Dichtungssystem aus beispielsweise einer Druckdichtung mit Entlastungskanal und einer nachgeschalteten Sekundärdichtung eine hohe Standzeit mit verbesserten bzw. ohne Leckagen nach Außen erreicht werden.

[0016] Nach einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind auch der erste Dichtring und der erste Vorspannring der Dichtungsanordnung des Dichtungssystems einstückig miteinander ausgebildet. Dadurch kann der Fertigungsaufwand des Dichtungssystems nochmals weiter verringert werden. Die Dichtungsanordnung kann in diesem Fall unter Kostengesichtspunkten ebenfalls aus Polyurethan bestehen.

[0017] Der zweite Vorspannring des Druckentlastungselements weist nach der Erfindung vorzugsweise einen dichtlippenartig ausgebildeten Schenkel auf, der in der Grunddrucklage P_ZN > P_H bzw. P_ZN > P_ZH mit einer Dichtkante am Nutgrund der zweiten Ringnut dichtend anliegt und wobei der dichtlippenartige Schenkel in der Druckentlastungslage - durch seine radial gerichtete Auslenkung gegenüber dem Dichtring - mit seiner Dichtkante aus der dichtenden Anlage am Nutgrund bewegt ist. Dadurch gibt der zweite Vorspannring einen dem Druckausgleich dienenden Fluidstrom über den Verbindungskanal frei. Der zweite Vorspannring kann dabei insbesondere einen gewinkelten bzw. L-förmigen Querschnitt mit einem ersten und einem zweiten Schenkel aufweisen. Der erste Schenkel erstreckt ich dabei vom zweiten Dichtring in radialer Richtung weg und der dichtlippenartig ausgebildete zweite Schenkel erstreckt sich axial in Richtung auf den Hochdruckbereich des Dichtungssystems.

[0018] Erfindungsgemäß kann zumindest einer der Verbindungskanäle eine im Druckentlastungselement angeordnete Durchgangsbohrung und/oder zur zweiten Ringnut hin offene Nutabschnitte umfassen, die am Druckentlastungselement und/oder im äußeren Bauteil ausgebildet sind.

[0019] Sofern die Durchgangsbohrung bzw. die Nutabschnitte am Druckentlastungselement ausgebildet sind, kann das erfindungsgemäße Dichtungssystem vereinfacht und ohne großen Kostenaufwand bei bestehenden Baugruppen nachgerüstet werden

[0020] Die Nutabschnitte können insbesondere an einer niederdruckseitigen Stirnseite des Druckentlastungselements, an einer dem Nutgrund der zweiten Ringnut zuweisenden Außenseite des zweiten Vorspannrings und/oder an einer der Hochdruckseite H zuweisenden Stirnseite des zweiten Dichtrings des Druckentlastungselements angeordnet sein. Wesentlich ist, dass der dichtlippenartige Schenkel des Vorspannelements durch die Nutabschnitte bzw. die Durchgangsbohrungen des Verbindungskanals mit dem im niederdruckseitig angeordneten Zwischenraum herrschenden Druck beaufschlagbar ist, selbst wenn das Druckentlastungselement gegen die niederdruckseitige Nutflanke der zweiten Ringnut gepresst wird. Darüber hinaus muss durch den Verbindungskanal in der Druckentlastungslage ein zur Hochdruckseite gerichteter Fluidstrom des jeweiligen Druckmediums sichergestellt sein, selbst wenn das Druckentlastungselement in der Druckentlastungslage an die hochdruckseitige Nutflanke der zweiten Ringnut gepresst wird.

[0021] In einer weiteren bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Dichtungssystems ist das äußere Bauteil ein Gehäuse, insbesondere ein Zylinder, und das innere Bauteil eine Kolbenstange eines in dem Gehäuse geführten Kolbens. Es versteht sich, dass die Ringnuten alternativ auch im inneren Bauteil ausgebildet sein können. Gehäuse-Kolben-Einheiten sind oftmals hydraulische Systeme mit hohen Betriebsdrücken. Eine erfindungsgemäße Anordnung und Ausführung von Druckentlastungselementen bietet sich zur Entlastung einer in solchen Systemen unter Hochdruck belasteten Primärdichtung an. Die Dichtungsanordnung kann durch einen in einer weiteren Ringnut angeordneten Abstreifring zur Säuberung der einzufahrenden Kolbenstange vervollständigt werden.

[0022] Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann zumindest eine der Dichtkanten abgerundet sein. Dies bietet fertigungstechnische Vorteile und ermöglicht eine nochmals weiter verbesserte Standzeit des Dichtungssystems. Über eine Verrundung der Dichtkante kann der sogenannte Schleppwinkel zwischen Dichtring und bewegtem Bauteil zur Bereitstellung einer bestimmten Leckrate im druckbeaufschlagten Zustand verändert und an die Systemanforderungen angepasst werden.

[0023] Zur radial innenseitigen Abstützung eines jeweiligen zweiten Dichtrings kann erfindungsgemäß ein Stützring vorgesehen sein. Der Stützring ist dabei vorzugsweise derart ausgebildet, dass bei einer Druckbeaufschlagung des zweiten Dichtrings bzw. des betreffenden Druckentlastungselements zugleich einer unerwünschten Extrusion des zweiten Dichtrings in den niederdruckseitigen Zwischenraum, d.h. den niederdruckseitigen Dichtspalt zwischen dem inneren und dem äußeren Bauteil, entgegengewirkt ist. Der Stützring ist im Hinblick auf eine geringe Reibung zwischen dem inneren und dem äußeren Bauteil vorzugsweise mit einem radialen Abstand - d.h. kontaktfrei - zum inneren Bauteil angeordnet. Es versteht sich, dass der Stützring auch an dem inneren Bauteil bzw. dem hin- und herbewegten Bauteil anliegen kann. Insbesondere im letztgenannten Fall weist der Stützring vorteilhaft eine dem zweiten Bauteil zugewandte Innenseite mit flachen Kegelwinkeln bzw. mit einem Radius auf.

[0024] Die Erfindung umfasst weiter die Verwendung eines erfindungsgemäßen Dichtungssystems zur Einstellung einer Zwischenraumdruckkaskade, wobei die hydraulischen Drücke in den Zwischenräumen derart eingestellt werden, dass an jedem zweiten Dichtring die gleiche Druckdifferenz anliegt. Der Vorteil einer derartigen Verwendung des erfindungsgemäßen Dichtungssystems liegt darin, dass alle Druckentlastungselemente in gleichem Maße zur Druckentlastung der unter Hochdruck belasteten Primärdichtung beitragen. Die einzelnen Komponenten einer derartigen gleichstufigen Zwischenraumdruckkaskade werden gleichmäßig beansprucht, wodurch die Lebensdauer des gesamten Dichtungssystems erhöht wird. Das Druckentlastungselement kann derart in der zweiten Ringnut angeordnet sein, dass der Dichtring und der Vorspannring in einer invertierten Drucklage PZN > PZH bzw. PZN > PH zur Hochdruckseite hin verschoben werden. Bei einem weiteren Ansteigen des Druckes wird der Vorspannring, deformiert, bis beim Erreichen der Druckentlastungslage PZN ≥ PZH+Pkrit bzw. PZN ≥ PH+Pkrit der bis dahin noch geschlossene Verbindungskanal freigegeben wird, so dass das Druckmedium durch den Verbindungskanal vom niederdruckseitigen Zwischenraum in den hochdruckseitigen Zwischenraum fließen kann. Die Druckzuwachsgröße Pkrit entspricht der zur Freigabe des Verbindungskanals aufzuwendenden Deformationskraft pro Fläche. Das im niederdruckseitigen Zwischenraum anstehende Druckmedium fließt solange über den Verbindungskanal in den hochdruckseitigen Zwischenraum ab, bis sich eine Drucklage PZN-PZH < Pkrit bzw. PZN- PH < Pkrit einstellt, in der die am Druckentlastungselement anliegende Druckdifferenz PZN-PZH unterhalb der Druckzuwachsgröße Pkrit liegt und der Verbindungskanal durch eine entsprechende Entspannung, Verformung und/oder Verschiebung des Vorspannrings und/oder des Dichtrings wieder verschlossen wird. Nach der Druckentlastung steht in dem niederdruckseitigen Zwischenraum ein Druck PZN ≅ (PZH+Pkrit)- bzw. PZN ≅ (PH+Pkrit)- an, welcher unterhalb des hochdruckseitigen Drucks plus Druckzuwachsgröße liegt.

[0025] Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Figuren der Zeichnung. Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels erläutert.

[0026] In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1

ein erfindungsgemäßes Dichtungssystem in einer Grunddrucklage, in einer ausschnittsweisen Schnittdarstellung;

Fig. 2

das Dichtungssystem gemäß Fig. 1 in einer Druckentlastungslage, in einer ausschnittsweisen Schnittdarstellung.

[0027] Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Dichtungssystem 10 zwischen zwei gegeneinander beweglichen Bauteilen zum Abdichten einer Hochdruckseite H gegenüber einer Niederdruckseite N.

[0028] Ein inneres Bauteil 12 ist in einem äußeren Bauteil 14 derart angeordnet, dass es eine Translationsbewegung axial entlang einer Bewegungsachse 16 durchführen kann. Das äußere Bauteil 14 kann beispielsweise als ein zylinderförmiges Gehäuse und das innere Bauteil 12 als eine Kolbenstange eines in dem Gehäuse geführten Kolbens ausgebildet sein. In Figur 1 ist der obere Halbraum des Dichtungssystems 10 in einem ausschnittsweisen Längsschnitt gezeigt. Das äußere Bauteil 14 weist insgesamt drei zum inneren Bauteil 12 hin offene Ringnuten auf, eine der Niederdruckseite N zugewandte erste Ringnut 18 und zwei auf der Hochdruckseite H angeordnete zweite Ringnuten 20a und 20b. In der ersten Ringnut 18 ist eine Dichtungsanordnung 22 vorgesehen. Es versteht sich, dass die Ringnuten auch durch das innere Bauteil ausgebildet sein können.

[0029] Die Dichtungsanordnung 22 umfasst einen am inneren Bauteil 12 anliegenden ersten Dichtring 24 aus einem elastisch verformbaren Material und einen den ersten Dichtring 24 radial spannenden, gegenüber der ersten Ringnut 18 abdichtenden ersten Vorspannring 26 aus einem elastisch verformbaren Material. Der erste Vorspannring 26 kann beispielsweise als O-Ring ausgeführt sein. Die Dichtungsanordnung 22 dient als Primärdichtung, weshalb eine Dichtkante 28 des ersten Dichtrings 24 einen steilen Pressungsgradienten aufweist. Der steile Pressungsgradient und die damit einhergehende geringe Leckagerate hängt von einem hochdruckseitigen Kontaktflächenwinkel α und einem niederdruckseitigen Kontaktflächenwinkel β zwischen dem ersten Dichtring 24 und dem inneren Bauteil 12 ab, wobei der hochdruckseitige Kontaktflächenwinkel α den niederdruckseitigen Kontaktflächenwinkel β übersteigt.

[0030] In der zweiten Ringnut 20a ist ein erstes Druckentlastungselement 30a, in der weiteren zweiten Ringnut 20b ein weiteres Druckentlastungselement 30b angeordnet. Die Druckentlastungselemente 30a und 30b umfassen jeweils einen zweiten Dichtring 32a, 32b und einen zweiten Vorspannring 34a, 34b. Die zweiten Dichtringe 32a, 32b werden durch die die zweiten Vorspannringe 34a, 34b in radialer Richtung gegen das innere Bauteil 12 gespannt.

[0031] Der zweite Dichtring 32a, 32b und der zweite Vorspannring 34a, 34b beider Druckentlastungselemente 30a, 30b sind jeweils einstückig miteinander ausgebildet und bestehen aus elastisch verformbarem Polyurethan.

[0032] Die zweiten Dichtringe 32a, 32b liegen mit ihren Dichtkanten 36 am inneren Bauteil 12 jeweils dichtend an, wobei entsprechende hochdruckseitige Kontaktflächenwinkel α_a und α_b jeweils kleiner als ein entsprechender niederdruckseitiger Kontaktflächenwinkel β_a oder β_b sind. Der resultierende flache Pressungsgradient kann auch durch symmetrische, das heißt, gleiche Kontaktflächenwinkel an einer Dichtkante 36 erreicht werden. Zusätzlich kann das Schleppverhalten durch ein Abrunden der jeweiligen Dichtkante 36 beeinflusst werden.

[0033] Durch die Hintereinanderanordnung der Dichtungsanordnung 22, des ersten Druckentlastungselements 30a und des weiteren Druckentlastungselements 30b sind ein erster Zwischenraum Z_a zwischen der Dichtungsanordnung 22 und dem ersten Druckentlastungselement 30a und ein weiterer Zwischenraum Z_b zwischen dem ersten Druckentlastungselement 30a und dem weiteren Druckentlastungselement 30b festgelegt.

[0034] Die Druckentlastungselemente 30a, 30b sind jeweils mit einem Stützring 38 versehen. Die Stützringe 38 greifen in eine nicht näher bezeichnete Einbuchtung der zweiten Dichtringe 32a, 32b ein und können beispielsweise aus Metall oder einem geeigneten zähelastischen Kunststoff bestehen. Die Stützringe 38 dienen einerseits einer Abstützung der zweiten Dichtringe 32a, 32b in radialer Richtung. Andererseits kann durch die Stützringe 38 bei einer hochdruckseitigen Druckbeaufschlagung der Druckentlastungselemente 30a, 30b eine unerwünschte Extrusion der zweiten Dichtringe 32a, 32b in die Zwischenräume Z_a bzw. Z_b hinein unterbunden bzw. dieser entgegengewirkt werden. Zwecks einer möglichst reibungsarmen Relativbewegung des inneren und des äußeren Bauteils 12, 14 können die beiden Stützringe 38 zum inneren Bauteil 12 jeweils kontaktfrei angeordnet sein. Einer oder mehrere der zweiten Stützringe 38 können eine dem inneren Bauteil 12 zuweisende Innenseite 39 mit flachen Kegelwinkeln bzw. mit einem Radius aufweisen, wie dies in Fig. 1 beim zweiten Stützring 38 des ersten Druckentlastungselements 30a beispielhaft gezeigt ist. Eine solche Ausgestaltung der Innenseite 39 des Stützrings 38 ist insbesondere in dem Fall einer Anlage des Stützrings 38 am inneren Bauteil bezüglich einer reduzierten Reibung einer für den Druckausgleich ggf. erforderlichen Fluidpassage sowie einer erhöhten Standzeit von Vorteil. Der Stützring 38 kann darüber hinaus auch mit einer in der Zeichnung nicht näher wiedergegebenen axialen Durchgangsbohrung (bzw. axialen Nut) für das unter Druck stehende Fluid versehen sein, um eine vollständig ungehinderte (axiale) Passage des Fluids in den Verbindungskanal zu ermöglichen.

[0035] Die flachen Pressungsgradienten an den Dichtkanten 36 lassen an den Druckentlastungselementen 30a, 30b jeweils eine (vor-)bestimmte Leckage im druckbeaufschlagten Zustand und bei einer translatorischen Bewegung des inneren Bauteils 12 im äußeren Bauteil 14 zu. Die jeweilige Leckagerate bestimmt den hydraulischen Druck im niederdruckseitig an das jeweilige Druckentlastungselement 30a, 30b angrenzenden Zwischenraum, beim ersten Druckentlastungselement 30a den Druck P_Za im ersten Zwischenraum Z_a, beim weiteren Druckentlastungselement 30b den Druck P_Zb im weiteren Zwischenraum Z_b. Die Zwischenraumdrücke P_Za und P_Zb sind derart eingestellt, dass ein stufenartiger Anstieg vom Druck P_N auf der Niederdruckseite bis zum Druck P_H auf der Hochdruckseite im Dichtungssystem 10 entsteht, P_N < P_Za < P_Zb < P_H.

[0036] Die Wahl bestimmter Zwischenraumdrücke P_Za und P_Zb erlaubt das Einstellen einer gleichstufigen Druckkaskade, bei der die Dichtungsanordnung 22 als auch beide Druckentlastungselemente 30a, 30b, insbesondere der erste Dichtring 24 und beide zweiten Dichtringe 32a, 32b, mit der gleichen Druckdifferenz P_Za - P_N = P_Zb - P_Za = P_H - P_Zb belastet sind.

[0037] In Fig. 1 ist die Grunddrucklage P_N < P_Za < P_Zb < P_H einer Zwischenraumdruckkaskade gezeigt. Die Dichtungsanordnung 22 liegt niederdruckseitig an der ersten Ringnut 18 an und dichtet somit den ersten Zwischenraum Z_a gegenüber der Niederdruckseite N ab.

[0038] Die zweiten Vorspannringe 34a, 34b des ersten und des zweiten Druckentlastungselements 30a, 30b weist jeweils einen im Wesentlichen L-förmigen Querschnitt mit einem ersten Schenkel 40a, 40b und einen als Dichtlippe ausgebildeten zweiten Schenkel 42a, 42b auf. Der erste Schenkel 40a, 40b ist am jeweiligen zweiten Dichtring 32a, 32b angeformt und erstreckt sich von dem zweiten Dichtring 32a, 32b radial in Richtung auf den Nutgrund 44 der jeweiligen zweiten Ringnut 20a, 20b. Die zweiten Schenkel 42a, 42b erstrecken sich jeweils axial in Richtung auf die Hochdruckseite H des Dichtungssystems 10. Die zweiten Schenkel 42a, 42b der zweiten Vorspannringe 34a, 34b liegen in der Grunddrucklage mit ihrer Dichtkante 46 jeweils am Nutgrund 44 der zweiten Ringnut 20a, 20b elastisch vorgespannt dichtend an. Zu beachten ist, dass die zweiten Dichtungsringe 32a, 32b mit ihrer der Hochdruckseite H zugewandten Stirnseite 48 jeweils über ein freies Ende 50 des zweiten Schenkels 42a, 42b des jeweiligen zweiten Vorspannrings 34a, 34b axial in Richtung auf die Hochdruckseite H vorragen. Die Druckentlastungselemente 30a, 30b sind vorliegend in den zweiten Ringnuten 20a, 20b mit einem axialem Spiel angeordnet, können aber auch ohne ein derartiges axiales Spiel in den zweiten Ringnuten 20a, 20b angeordnet sein.

[0039] Für einen Druckausgleich zwischen dem ersten Zwischenraum Z_a und dem weiteren Zwischenraum Z_b bzw. zwischen dem zweiten Zwischenraum Z_b und der Hochdruckseite H dienen Verbindungskanäle 52. Die Verbindungskanäle umfassen vorliegend jeweils Nutabschnitte 52a, 52b, 52c in den zweiten Dichtringen 32a, 32b bzw. den zweiten Vorspannringen 34a, 34b der Druckentlastungselemente 30a, 30b.

[0040] Die Nutabschnitte 52a sind an einer (gestuft ausgeführten) niederdruckseitigen Stirnseite 54 der Druckentlastungselemente 30a, 30b angeordnet. Die Nutabschnitt 52a können auch teilweise an den jeweiligen Stützringen 38 ausgebildet sein.

[0041] Die Nutabschnitte 52b sind an einer dem Nutgrund 44 zuweisenden Außenseite 56 der zweiten Vorspannringe 34a, 34b der Druckentlastungselemente 30a, 30b angeordnet und verlaufen axial in Richtung auf die dem Nutgrund 44 zugeordnete Dichtkante 46. Die Nutabschnitte 52c sind jeweils an der hochdruckseitigen Stirnseite 48 der zweiten Dichtringe 32a, 32b der Druckentlastungselemente 30a, 30b angeordnet.

[0042] Die Nutabschnitte 52c sind niederdruckseitig der Dichtkante 46 des jeweiligen zweiten Vorspannrings 34a, 34b angeordnet. In der gezeigten Grunddrucklage P_Za < P_Zb liegt das Druckentlastungselement 30a, 30b niederdruckseitig an der jeweiligen zweiten Ringnut 20a, 20b an. Die Nutabschnitte 52a; 52b sind durch die am Nutgrund 44 anliegende Dichtkante 46 der zweiten Vorspannringe 34a, 34b gegenüber dem Nutabschnitt 52c abgedichtet, d.h. die den beiden Druckentlastungselementen 30a, 30b zugeordneten Verbindungskanäle 52 sind jeweils funktionell fluiddicht verschlossen.

[0043] In Figur 2 ist dargestellt, wie sich die Lage der einzelnen Elemente des in Figur 1 gezeigten erfindungsgemäßen Dichtungssystems 10 bei Eintreten einer Druckentlastungslage P_Zb ≥ P_H+P_krit ändert.

[0044] In dieser Druckentlastungslage ist der Druck P_Zb im weiteren Zwischenraum Z_b über den Druck P_H auf der Hochdruckseite H angestiegen, woraufhin das weitere Druckentlastungselement 30b zur Hochdruckseite H verschoben wurde und folglich mit seiner hochdruckseitigen Stirnseite 48 an einer hochdruckseitigen Flanke 58 der zweiten Ringnut 20b anliegt.

[0045] Durch einen weiteren Anstieg des Zwischenraumdruckes P_Zb wird der zweite Vorspannring 34b aktiviert und erfährt eine (abschnittsweise) Verformung radial in Richtung auf das innere Bauteil 12, wie dies mit dem Pfeil 60 verdeutlicht ist. Bei dieser Verformung des zweiten Vorspannrings 34b wird die Dichtkante 46 in der Druckentlastungslage P_Zb ≥ P_H+P_krit aus ihrer dichtenden Anlage am Nutgrund 44 abgehoben und so eine fluidische Verbidung des Zwischenraums Z_b über die Nutabschnitte 51a und 52b mit dem Nutabschnitt 52c und mithin mit der der Hochdruckseite H freigegeben. Das im Zwischenraum Z_b anstehende Druckmedium strömt entlang der strichliert wiedergegebenen Strömungsrichtung 62 durch den Verbindungskanal 52 und gelangt dadurch auf die Hochdruckseite H. Diese Druckentlastung des weiteren Zwischenraums Z_b findet bis zu dem Punkt statt, an dem der niederdruckseitige Überdruck die Druckzuwachsgröße p_krit nicht mehr übersteigt, p_zb - p_H < p_kri_t, und der zweite Vorspannring 34b sich aufgrund der ihm innewohnenden Eigenelastizität wieder dichtend am Nutgrund 44 anlegt und so den Verbindungskanal 52 fluiddicht verschließt.

[0046] Sowohl die Lage der Dichtungsanordnung 22 als auch die Position des ersten Druckentlastungselements 30a bleiben sowohl in der Drucklage P_Zb > P_H als auch in der Druckentlastungslage P_Zb ≥ P_H+P_krit unverändert, da weiterhin P_N < P_Za < P_Zb gilt. Die Druckentlastung des weiteren Zwischenraums Z_b hat somit keinerlei Auswirkungen auf die Dichtungsanordnung 22, was die Wirksamkeit und Vorteilhaftigkeit einer mehrstufigen Druckkaskade zur Druckentlastung einer Primärdichtung verdeutlicht.

[0047] Zu beachten ist, dass der erste Dichtring und der erste Vorspannring der in der ersten Ringnut 18 angeordneten Dichtungsanordnung 22 in einer den Druckentlastungselementen entsprechenden Weise einstückig miteinander ausgebildet und aus Polyurethan bestehen kann.

[0048] Es versteht sich, dass die Nutabschnitte 52a, 52b und/oder 52c zumindest teilweise in demjenigen Bauteil 12, 14 angeordnet sein können, das die zweiten Ringnuten 20a, 20b ausbildet. Darüber hinaus kann der Verbindungskanal 52 anstatt eines oder mehrerer der vorstehend erläuterten Nutabschnitte 52a, 52b, 52c auch eine oder mehrere Durchgangsbohrungen der umfassen, die das Druckentlastungselement 30a, 30b durchgreifen.

Ansprüche

1. Dichtungssystem zwischen zwei entlang einer Bewegungsachse gegeneinander translatorisch beweglichen Bauteilen (12, 14) zum Abdichten einer Hochdruckseite (H) gegenüber einer Niederdruckseite (N),
wobei ein äußeres Bauteil (14) eine zu einem inneren Bauteil (12) offene, der Niederdruckseite (N) zugewandte erste Ringnut (18) und zumindest eine zum inneren Bauteil (12) offene, der Hochdruckseite (H) zugewandte zweite Ringnut (20a, 20b) aufweist,
wobei in der ersten Ringnut (18) eine Dichtungsanordnung (22) vorgesehen ist, die einen am inneren Bauteil (12) anliegenden ersten Dichtring (24) aus einem elastisch verformbaren Material und einen den ersten Dichtring (24) radial spannenden, gegenüber der ersten Ringnut (18) abdichtenden ersten Vorspannring (26) aus einem elastisch verformbaren Material aufweist, wobei in jeweils jeder zweiten Ringnut (20a, 20b) ein Druckentlastungselement (30a, 30b) vorgesehen ist, das einen am inneren Bauteil (12) anliegenden zweiten Dichtring (32a, 32b) aus einem elastisch verformbaren Material und einen den zweiten Dichtring (32a, 32b) radial spannenden, gegenüber der zweiten Ringnut (20a, 20b) abdichtenden zweiten Vorspannring (34a, 34b) aus einem elastisch verformbaren Material aufweist,
wobei der zweite Dichtring (32a, 32b) eine Dichtkante (36) mit einem hochdruckseitigen Kontaktflächenwinkel (α_a, α_b) und einem niederdruckseitigen Kontaktflächenwinkel (β_a, β_b) aufweist,
wobei jedem Druckentlastungselement (30a, 30b) mindestens ein Verbindungskanal (52) zugeordnet ist,
über den ein Zwischenraum (Z_a) zwischen der Dichtungsanordnung (22) und dem ersten Druckentlastungselement (30a) mit der Hochdruckseite (H).
oder ein Zwischenraum (Z_b) zwischen zwei benachbarten Druckentlastungselementen (30a, 30b) mit der Hochdruckseite (H) verbindbar ist
oder zwei benachbarte Zwischenräume (Z_a, Z_b) über den Verbindungskanal (52) miteinander verbindbar sind,
wobei jeder Verbindungskanal (52) in einer Drucklage P_ZN > P_H bzw. P_ZN > P_ZH geschlossen und in einer Druckentlastungslage P_ZN ≥ P_H+P_krit bzw. P_ZN ≥ P_ZH+P_krit geöffnet ist,
wobei P_H der hydraulische Druck auf der Hochdruckseite (H), P_ZN der hydraulische Druck im niederdruckseitigen Zwischenraum, P_ZH der hydraulische Druck im hochdruckseitigen Zwischenraum und P_krit eine Druckzuwachsgröße ist, bei der oder bei deren Überschreitung der Verbindungskanal () geöffnet ist,
wobei P_Krit durch eine Verformung des zweiten Vorspannrings (34a, 34b) definiert ist,
wobei der Verbindungskanal (52), in der Drucklage P_ZN > P_H bzw. P_ZN > P_ZH durch den zweiten Vorspannring (34a, 34b) verschlossen ist und
wobei der hochdruckseitige Kontaktflächenwinkel (α_a, α_b) der Dichtkante (36) des zweiten Dichtrings (32a, 32b) kleiner oder gleich dem niederdruckseitigen Kontaktflächenwinkel (β_a, β_b) der Dichtkante (36) ist, so dass im druckbeaufschlagten Zustand und bei einer Hin- und Herbewegung des inneren Bauteils (12) im äußeren Bauteil (14) für den zweiten Dichtring (32a, 32b) eine bestimmte Leckagerate eingestellt ist, über die der hydraulische Druck im niederdruckseitigen Zwischenraum (Z_a, Z_b) eingestellt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Dichtring (32a, 32b) und der zweite Vorspannring (34a, 34b) zumindest eines Druckentlastungselements (30a, 30b) einstückig miteinander ausgebildet sind und aus Polyurethan bestehen und wobei P_Krit durch eine zumindest abschnittsweise Verformung des zweiten Vorspannrings (34a, 34b) in einer zur Bewegungsachse radialen Richtung definiert ist.

2. Dichtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Dichtring (32a, 32b) und der zweite Vorspannring (34a, 34b) jedes Druckentlastungselements (30a, 30b) einstückig miteinander ausgebildet sind und aus Polyurethan bestehen.

3. Dichtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Dichtring (24) und der erste Vorspannring (26) der Dichtungsanordnung (22) einstückig miteinander ausgebildet sind und aus Polyurethan bestehen.

4. Dichtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Vorspannring (34a, 34b) des Druckentlastungselements (30a, 30b) einen dichtlippenartig ausgeformten Schenkel (40, 42) aufweist, der in der Drucklage P_ZN > P_H bzw. P_ZN > P_ZH mit einer Dichtkante 46 am Nutgrund der zweiten Ringnut (20a, 20b) dichtend anliegt und wobei der dichtlippenartig ausgeformte Schenkel (40, 42) in der Druckentlastungslage aus seiner dichtenden Anlage am Nutgrund (44) bewegt ist.

5. Dichtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Verbindungskanäle (52) eine im Druckentlastungselement angeordnete Durchgangsbohrung und/oder Nutabschnitte (52a, 52b, 52c) umfasst, die am Druckentlastungselement und/oder im äußeren Bauteil (14) ausgebildet und zur zweiten Ringnut (20a, 20b) hin offen sind.

6. Dichtungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Nutabschnitte (52a, 52b, 52c) an einer niederdruckseitigen Stirnseite des Druckentlastungselements (30a, 30b) oder an einer dem Nutgrund (44) der zweiten Ringnut (20a, 20b) zuweisenden Außenseite (56) des zweiten Vorspannrings (34a, 34b) oder an einer der Hochdruckseite (H) zuweisenden Stirnseite (48) des zweiten Dichtrings (32a, 32b) des Druckentlastungselements (30a, 30b) angeordnet ist.

7. Dichtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Bauteil (14) ein Gehäuse, insbesondere ein Zylinder, und das innere Bauteil (12) eine Kolbenstange eines in dem Gehäuse geführten Kolbens ist.

8. Dichtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Dichtkanten (28, 46) abgerundet ist.

9. Dichtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Dichtring (32a, 32b) zumindest eines Druckentlastungselements (30a, 30b) mit einem Stützring (38) versehen ist, der bevorzugt eine dem inneren Bauteil (12) zuweisende Innenseite (39) mit flachen Kegelwinkeln bzw. mit einem Radius aufweist.

10. Verwendung eines Dichtungssystems (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Einstellung einer Zwischenraumdruckkaskade, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulischen Drücke in den Zwischenräumen (Z_a, Z_b) derart eingestellt werden, dass an jedem zweiten Dichtring (32a, 32b) die gleiche Druckdifferenz anliegt.

Zeichnung